magnétiques des couches minces et nanostructures de Co2FeAl

Dynamique Hyperfréquence de l’aimantation

Introduction

Dans ce chapitre nous abordons les notions de magnétisme et quelques définitions nécessaires pour faciliter la lecture de cette thèse. Nous décrirons ensuite le concept d'ondes de spin ainsi que les techniques expérimentales permettant d'étudier la dynamique de l'aimantation.

Concepts de magnétisme

Le moment magnétique
Energies magnétiques d’une couche mince ferromagnétique

A l'échelle mésoscopique, l'expression de l'énergie d'échange peut être représentée en fonction des gradients d'aimantation sous la forme [1]. La figure 1.5 montre la dépendance de l'anisotropie magnétique des multicouches Co/Pd sur l'épaisseur.

Figure 1.2 : La courbe de Bethe-Slater présente la relation de l’intégrale d’échange et le rap- rap-port de la distance interatomique r ij au rayon de l’orbital « rd » [2]

Dynamique de l’aimantation

Equation de Landau-Lifshitz-Gilbert

Cette équation décrit le mouvement précessionnel amorti de la magnétisation autour du champ effectif (voir Figure 1.6). Les solutions analytiques de l'équation LLG n'existent que pour quelques cas simples où l'aimantation est uniforme.

Figure 1.6 : (a) Illustration de l’équation Landau-Lifshitz sans te-nir compte de l’amortissement : 𝑀 ⃗⃗⃗ tourne à rayon (angle) constant autour de 𝐻⃗⃗⃗ 𝑒𝑓𝑓

Excitations magnétiques

Mode uniforme
Les ondes de spins

Les ondes de spin sont des excitations collectives des spins de la couche ferromagnétique autour de la direction d'équilibre de l'aimantation, comme le montre la figure 1.7(b). Les ondes de spin peuvent être traitées dans le contexte des ondes électromagnétiques car elles représentent des oscillations de magnétisation locale.

Figure 1.9 : Le positionnement de l’aimantation et le vecteur d’onde planaire dans une couche mince

Techniques expérimentales de la dynamique de l’aimantation

Techniques temporelles
Techniques en domaine fréquentielle
Comparaison entre FMR et BLS

C'est-à-dire qu'il s'agit d'une mesure de la dynamique de magnétisation du délai entre une impulsion intense (pompe) et une impulsion faible (sonde). Ces techniques consistent à mesurer la fréquence de précession d'aimantation selon le principe spectroscopique.

Figure 1.12 : L’excitation de l’aimantation par un petit champ la FMR dans différentes géométries et pour plusieurs

Mécanismes de relaxation de l’aimantation

Mécanismes intrinsèques (ou Gilbert)
Mécanismes extrinsèques

La variation de cette largeur de raie en fonction de la fréquence est représentée sur la figure 4.22 (b) pour des couches de 20 et 50 nm d'épaisseur. La figure 5.1 (c) montre les modifications du paramètre de réseau en fonction de la température de recuit pour différents échantillons.

Figure 1.14 : Schéma de mécanisme de relaxation de l’aimantation[39], d’où rf signi- signi-fie le champ magnétique excitant

Les alliages Heusler

Introduction

Dans ce mode flip basé sur le transfert de spin, la densité de courant est proportionnelle à la constante d'amortissement de Gilbert et inversement proportionnelle à la polarisation de spin. Cependant, les oxydes semi-métalliques ont une faible température de Curie et la polarisation de spin devrait donc être négligeable à température ambiante.

Généralités sur les alliages Heusler

Structure cristallographique des alliages Heusler à base de cobalt

Cette température de transformation ordre-désordre a été étudiée pour plusieurs composés Heusler à base de Co [13], [14]. L'une des raisons peut être que la structure ordonnée de L21 est obtenue avec une température de recuit relativement basse (~350 °C [14]).

Figure 2.1: La structure cristallographique théorique (parfaite) (a)L2 1 , un exemple de maille (b) B2 et (c) A2 des alliages Heusler à base de cobalt

Demi-métallicité des alliages Heusler

Origine de gap des alliages Heusler à base de cobalt
Effets du désordre atomique sur certaines propriétés des alliages Heusler
Effets de surface et d’interface sur la demi-métallicité des alliages Heusler
Effets de température de recuit sur la demi-métallicité des alliages Heusler

Dans cette technique (TBIIST transverse biaisé initial inverse susceptibilité et couple) [8], le champ magnétique longitudinal HL (parallèle au plan d'incidence) et le champ transversal HB (perpendiculaire au plan d'incidence) sont appliqués dans le plan d'un fine couche. Ce terme est dû à diverses fluctuations locales, telles que le changement d'épaisseur de couche. La figure 5.8 (c) montre la dépendance de la constante d'amortissement de Gilbert sur la température de recuit.

Figure 2. 3: La position de la largeur de la bande interdite minoritaire calculée par simulations ab-initio [26]

Les propriétés magnétiques des Heusler à base de cobalt

Magnétisme
Le comportement de Slater-Pauling

Application des alliages Heusler pour les dispositifs magnétorésistances

L'utilisation de Co2MnSi pour les deux électrodes leur a permis d'obtenir un énorme taux de magnétorésistance tunnel (TMR) à 2°K de l'ordre de 590 %. Cependant, ces dispositifs utilisant des alliages Heusler se caractérisent par une dépendance significative du TMR en température. Ceci est insuffisant pour des applications telles que les têtes de lecture pour des densités d'enregistrement supérieures à 1 Tbit/pouce2.

Motivation du travail de thèse

Selon la direction du champ magnétique appliqué, l'inversion de l'aimantation s'effectue en une ou deux étapes. Cependant, le champ d'anisotropie uniaxiale ne montre pas de comportement clair en fonction de la température de recuit. La dépendance angulaire et fréquentielle de la largeur de la raie FMR a été étudiée pour les couches déposées sur MgO et Si.

Techniques Expérimentales

Introduction

La résonance ferromagnétique (FMR), la spectroscopie de diffusion de la lumière Brillouin (BLS) et les magnétométries à effet Kerr et à échantillons vibrants sont les méthodes expérimentales complémentaires que nous avons utilisées au cours de ce travail de thèse pour mesurer les propriétés magnétiques (statiques et dynamiques) des couches ferromagnétiques de Co2FeAl étudiées. Le comportement dynamique de la magnétisation de nos échantillons a été étudié de manière intensive par résonance ferromagnétique et complété par des mesures de diffusion de la lumière Brillouin.

Résonance Ferromagnétique (FMR)

Montage expérimental

Comme l'illustre la figure 3.4, cette ligne est constituée d'un plan de masse, d'un séparateur diélectrique tel que du saphir et d'une bande métallique, souvent en cuivre. Ce champ de résonance dépend des champs internes ; ses variations en fonction de la fréquence d'excitation et de la direction du champ appliqué permettent de déterminer les anisotropies magnétiques, l'aimantation effective et le facteur g. Pour des spectres assez symétriques, le champ de résonance et la largeur de raie sont faciles à déterminer.

Figure 3.1 : Le montage expérimental MS- FMR

Spectroscopie Brillouin (BLS)

Banc de mesure BLS

La longueur d'onde de la lumière traversant l'interféromètre est choisie en fonction de la distance entre les deux lames FP-1. La figure 3.8 montre un exemple du spectre de transmission obtenu en fonction de la longueur d'onde. Pureté (F) : ce paramètre dépend fortement de la qualité des miroirs utilisés à Fabry-Pérot.

Figure 3.7: (a) Le principe du Fabry-Pérot plan (FP) et (b) Le schéma du tandem-FP Figure 3.6 : Le schéma du dispositif expérimentale de BLS

Magnétométrie à Effet Kerr (MOKE)

Banc expérimental magnéto-optique Kerr
Méthode du couple et susceptibilité initiale inverse sous champ transverse

Les champs coercitifs (Hc) dérivés des cycles d'hystérésis, obtenus pour un champ magnétique appliqué dans la direction de l'axe le plus facile (H=0), sont illustrés dans la figure 4.9 pour les couches de CFA, déposées sur les substrats MgO - et Si. , en fonction de l'inverse de l'épaisseur des couches. Pour les couches déposées sur Si, l'anisotropie planaire apparaît être d'ordre 2 et son axe facile change de direction en fonction de la température. L'effet de la température de recuit sur les propriétés magnétiques et structurelles a également été étudié.

Figure 3.11: Les différentes géométries associées à l’effet Kerr

Effet de l’épaisseur et du substrat sur les propriétés magnétiques et

Introduction

Si, au contraire, le substrat a une surface ordonnée, les premiers atomes de la couche qui vient d'être déposée dessus sont organisés de telle manière que l'énergie de liaison entre ces atomes et le substrat est minimisée. L'analyse complète des champs résonants (en configurations planaire et perpendiculaire) dérivés des spectres du mode de précession uniforme et des modes d'onde de spin stationnaire perpendiculaire (PSSW) conduit à la détermination de la plupart des paramètres magnétiques : aimantation effective, facteur gyromagnétique, champs d'échange constants et d'anisotropie. De plus, les variations de la largeur des raies FMR en fonction de l'orientation du champ magnétique appliqué dans le plan et en fonction de la fréquence d'excitation permettent d'identifier les mécanismes responsables de la relaxation qui conduit à l'élargissement des raies, permettant ainsi évaluer les paramètres régissant l'amortissement intrinsèque (coefficient de Gilbert) et extrinsèque (processus de diffusion à deux magnons, inhomogénéité et mosaïcité).

Préparation des échantillons

Compte tenu de la très bonne qualité des couches de CFA déposées sur MgO par rapport à celles déposées sur Si et STO, la discussion des propriétés structurales et magnétiques, présentée dans la suite de ce chapitre, se concentrera principalement sur celles-ci. Les propriétés des couches déposées sur Si et STO seront ensuite brièvement présentées, en soulignant leur différence avec celles déposées sur MgO.

Les propriétés structurales

Dans le cas de couches déposées sur STO (Figure 4.2(d)), les diagrammes de diffraction des rayons X montrent une épitaxie hors plan. Pour les couches déposées sur STO, seul a est déterminé et décroît linéairement en fonction de l'épaisseur de la couche de CFA à partir de 20 nm de CFA. Figure 4.5 : Modifications de (a) le paramètre de réseau cubique non confiné a0, (b) la contrainte plane // et (c) l'ordre chimique c en fonction de l'épaisseur de la couche de Co2FeAl déposée sur MgO .

Figure 4.2 : Diagrammes de diffraction X pour les couches CFA déposées sur MgO et recouvertes (a) d’une couche de Cr (b) recouvertes d’une couche de Ta, (c) déposées sur un

Les propriétés magnétiques

Quelques précisions sur le modèle utilisé
Propriétés statiques
Propriétés magnétiques dynamiques

Les champs d'inversion ou de forçage pour les différents types de cycles d'hystérésis sont définis sur la figure 4.7 et ont été mesurés en fonction de la direction du champ appliqué dans le plan des couches (figure 4.8). Le petit chiffre en arrière-plan (encadré) représente l'évolution de H4 pour les couches CFA d'épaisseur 45, 70 et 115 en fonction de la déformation biaxiale dans le plan. La dépendance angulaire de la largeur de raie FMR crête à crête (HPP) des couches de CFA recouvertes de Ta de 50 nm et de 20 nm d'épaisseur déposées sur MgO est illustrée à la figure 4.17 pour trois fréquences d'excitation : 6, 8 et 9 GHz.

Figure 4.6 : : Système de coordonnées utilisé pour l’expression de la densité d’énergie magnétique et des fréquences de précession des différents modes excités pour une simple couche ferromagnétique d’épaisseur d

Conclusion

Effet de la température de recuit sur les propriétés structurelles et magnétiques des films de Co 2 FeAl. Pour tous les substrats, la magnétisation effective augmente avec l'augmentation de la température de recuit, comme le montre la figure 5.4 (a). Un accent particulier sera ensuite mis sur les effets de l'épaisseur de couche et de la nature des couches de protection ainsi que de la température de recuit sur les propriétés dynamiques.

Effet de la température de recuit sur les propriétés structurales et

Introduction

Dans le chapitre précédent, nous avons discuté de l'effet du substrat et de l'épaisseur sur les propriétés magnétiques et structurelles des couches de Co2FeAl. En plus de ces effets, la température de recuit des alliages Heusler est un facteur important pour l’établissement de l’ordre atomique et de la cristallisation. Des mesures analogues à l'influence de l'épaisseur de la couche de CFA, discutée précédemment, sur les propriétés magnétiques ont été effectuées pour obtenir la température de recuit optimale.

Préparation des échantillons

Nous avons vu que les propriétés structurales de ces couches minces sont étroitement liées aux propriétés du substrat sur lequel elles sont déposées et à l'épaisseur de la couche. Plus tard, nous montrerons que la température de recuit est un paramètre très efficace pour optimiser plusieurs propriétés importantes permettant la production de couches de CFA de haute qualité.

Propriétés structurales

Cette distribution, ainsi que la quantité relative de régions amorphes, change en fonction de la température. Pour les films déposés sur Si, le paramètre de réseau a été obtenu à partir de la droite (022) en appliquant l'équation de Bragg. Ce paramètre de maillage de la couche non recuite est supérieur à la valeur de référence CFA.

Propriétés magnétiques

Propriétés magnétiques dynamiques

Cet effet provient de l'interface CFA/MgO, qui est renforcée par l'augmentation de la température de recuit. La constante d'échange, illustrée à la figure 5.4 (b), augmente également avec la température de recuit en raison de l'amélioration de la structure et de l'ordre atomiques. Les traits pleins font référence à l'alignement des mesures à l'aide du modèle décrit au chapitre 4. c) variation du coefficient d'amortissement de Gilbert en fonction de la température de recuit de 10 nm CFA et 50 nm CFA d'épaisseur de couche d déposée sur substrats Si et MgO .

Figure 5.2: Cycles d’hysteresis, pour un champ magnétique appliqué selon l’axe facile, des couches de CFA de 50 nm d’épaisseur recuites à différentes température (T a ) et déposées sur

Conclusion

Les effets de confinement des ondes de spin ont été étudiés par diffusion de la lumière par Brillouin [3]-[7]. Ce dernier est obtenu lorsque le champ est appliqué sur la largeur des lignes (H =0°), tandis que les couches continues présentent des cycles d'hystérésis de formes plus carrées avec une inversion en deux étapes (non représenté ici pour plus de clarté (voir chapitre 4). )) pour cette direction. Cette dernière, observée pour le champ appliqué le long des lignes, résulte du confinement des ondes de spin dû à la largeur limitée des lignes.

Confinement latéral des ondes de spin dans les réseaux de lignes à base de

Introduction

Par conséquent, les épaisseurs comprises entre 20 nm et 50 nm constituent un bon choix pour la recherche sur la quantification des ondes de spin. Dans ce chapitre nous nous sommes intéressés à l'effet de la nanostructuration sur les propriétés magnétiques des films CFA. En prenant en compte la position angulaire des plans orientés, cette technique nous a permis de déterminer le paramètre de maillage plan de l'échantillon.

Figure 6.2 : Procédé technologique illustrant les différentes étapes de la réalisation des réseaux de lignes de Co 2 FeAl

Procédé de fabrication d’échantillon

Propriétés Magnétiques

Propriétés dynamiques

Lorsque le champ magnétique est appliqué perpendiculairement aux lignes (parallèles à leurs petits côtés), le vecteur d'onde est parallèle à l'aimantation. Le champ magnétique est appliqué le long des lignes (H=0°) ou parallèlement à la largeur des lignes (H=90°). Les variations des fréquences de résonance de ces modes en fonction du champ magnétique appliqué sont représentées sur la figure 6.5.

Figure 6.3 : (a) Cycles d'hystérésis mesurés par MOKE pour les réseaux de lignes de Co 2 FeAl de 25 nm et 50 nm avec des différentes largeurs

Conclusion

Comparison entre FMR et BLS

Nous nous sommes particulièrement intéressés aux effets du substrat, de l'épaisseur, de la température de recuit et de la nanostructuration sur les propriétés magnétiques et structurelles de ces composés. Quant à l’anisotropie de l’interface perpendiculaire, elle augmente fortement lorsque la température de recuit augmente, probablement en raison de l’amélioration de la qualité de l’interface CFA/MgO. Tout d’abord, comprenez le comportement de l’anisotropie perpendiculaire des couches ultrafines de CFA (épaisseur allant de 1 nm à 10 nm) déposées sur MgO.